崔屹团队今日Nature Energy：革命集流体，把锂电电芯能量密度再提升8%-26%！

锂离子电池已被广泛应用于消费电子，电动汽车和规模储能领域。目前，锂电的能量密度仅以每年3%左右的速度增长。能量密度的提高对于消除电动汽车的里程焦虑，例如＞500 km里程，至关重要。在以往的研究中，提高电池的能量密度主要集中在研发优化新型材料以及提高电池的工作电压。然而，有效优化电池中非活性物质同样至关重要且空间巨大。

电池中含有大量的非活性物质，例如集流体、电解液、隔膜以及电池外壳，这些非活性物质对电池的能量没有贡献，被认识为“dead weight”。商业上的集流体大多以金属箔为主，例如 Cu（密度为 8.96 g cm^-3）或者铝箔（2.7 g cm^-3），占据了整体电池约15%甚至更高的比例。工业上往往通过降低金属箔的厚度来减轻集流体的重量，然而持续降低金属箔的厚度会破坏集流体的机械强度，往往会给电池带来负面作用。

图1. 新型集流体的结构设计示意图

在过去的研究中，集流体往往只作为传导子的作用。致密的金属膜使得集流体难以进一步开发成为多功能集流体。为此，斯坦福大学崔屹教授团队设计了一种新型集流体使锂离子电池变得更轻、更安全以及更有效^[1]。该研究以封面文章发表在Nature Energy上。研究人员研发了一种厚度约为9μm的轻型聚酰亚胺基集流体用于替换现有的金属集流体。这种新型集流体为三明治结构，中间层为嵌入阻燃剂的有机物支撑膜，外层为约500nm厚的金属层。该厚度的金属层可以达到电池中金属箔集流体的同等电导率，同时聚合物基底又有良好的热稳定性和机械强度。在热失控起火的情况下，基于金属层和有机物之间的不同温度系数，阻燃剂得以释放，可有效阻止电池继续燃烧。

图2. 传统的金属集流体和新型的超轻集流体对电池能量密度的影响

研究人员认为采用这种新型集流体，可以有效解决两大问题：提高电池能量密度和降低电池燃烧的危险性。该集流体的面密度仅为商用铜箔的1/5, 有效降低了电池中非活性物质的质量。因此，电池的质量能量密度可以有效提高8%-26% (取决于不同的电池类型)。由于阻燃剂被有效密封在集流体中，因此电池的性能在其正常工作时不受影响。这与常规的将阻燃剂加到电池中的方法不同。常规的阻燃剂，无论是添加在电解液、隔膜或者电极材料中，在一定程度上会影响电池的离子传输和电子传导，同时也会增加电池的重量。

图3. 采用传统集流体和新型集流体组装电池的燃烧性测试结果

研究人员认为，这种多功能的集流体是一种技术革新。它可以使电池拥有更高的能量密度同时更加安全。打破传统意义上电池安全和高能量密度之间的矛盾。考虑到电池中电池壳的占比也很大，该研究同时有望拓展到新型轻量的电池包装^[2]。由于聚合物具有良好的柔韧性，该设计同时也有助于开发新型柔性锂离子电池。

参考文献：

[1] Ye, Y., Chou, L., Liu, Y. et al. Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries. Nat Energy 5, 786–793 (2020). 

https://doi.org/10.1038/s41560-020-00702-8.

[2] Leif Nyholm. Lighter and safer. Nature Energy 5, 739–740(2020). 

https://doi.org/10.1038/s41560-020-00707-3.